專利名稱：基于光纖瑞利與布里淵原理的環(huán)境溫度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用光纖檢測(cè)環(huán)境溫度分布情況的方法，屬測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖布里淵溫度分布型測(cè)量技術(shù)是一種新型測(cè)量技術(shù)，具有只需一次測(cè)量即可獲取沿整個(gè)光纖被測(cè)場分布信息，測(cè)量精度高、定位準(zhǔn)確、傳感距離可達(dá)上百公里等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在電力、石油、地質(zhì)、水利、建筑等行業(yè)大型工程結(jié)構(gòu)健康狀況在線監(jiān)測(cè)和故障點(diǎn)定位等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景?；诠饫w布里淵散射的分布型傳感技術(shù)在溫度測(cè)量上所達(dá)到的測(cè)量精度、測(cè)量范圍以及空間分辨率均高于其它傳感技術(shù)，因此這種技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注。目前，基于光纖布里淵散射的分布型傳感技術(shù)的研究方向主要有①基于布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)的分布型光纖傳感技術(shù)；②基于布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)的分布型光纖傳感技術(shù)基于布里淵光頻域分析(BOFDA)的分布型光纖傳感技術(shù)。在上述三種傳感系統(tǒng)中，BOTDR傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只需一個(gè)光源，可單端測(cè)量，操作方便，支持?jǐn)帱c(diǎn)檢測(cè)，所以針對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究最為廣泛。綜合分析國內(nèi)外光纖布里淵溫度分布型傳感系統(tǒng)，光源均采用窄線寬激光器，并通過外調(diào)制獲得所需光脈沖，系統(tǒng)過于復(fù)雜，且非常昂貴，大大提高了溫度檢測(cè)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足、提供一種低成本的基于光纖瑞利與布里淵原理的環(huán)境溫度測(cè)量方法。本發(fā)明所稱問題是以下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種基于光纖瑞利與布里淵原理的環(huán)境溫度測(cè)量方法，它利用半導(dǎo)體激光器、環(huán)行器、光電檢測(cè)器和傳感光纜組成光纖傳感系統(tǒng)，在測(cè)量溫度時(shí)，將傳感光纜置于被測(cè)環(huán)境中，將半導(dǎo)體激光器發(fā)出的脈沖光經(jīng)環(huán)行器注入傳感光纜，并利用光電檢測(cè)器從環(huán)行器接收來自傳感光纜的背向瑞利散射和布里淵散射信號(hào)，使二者在光電檢測(cè)器中進(jìn)行外差混頻，然后由光電檢測(cè)器的輸出信號(hào)確定傳感光纜上每一點(diǎn)的布里淵頻移
12 ,最后利用布里淵頻移與溫度的關(guān)系模型4 = +CirAT計(jì)算出光纖上每一點(diǎn)的溫度， 從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，其中，Pm為參考溫度下的布里淵散射光的頻移；ΔΓ為溫度的變化量； (一為布里淵頻移溫度系數(shù)。上述基于光纖瑞利與布里淵原理的環(huán)境溫度測(cè)量方法，所述半導(dǎo)體激光器的輸出光譜由多個(gè)譜線組成。上述基于光纖瑞利與布里淵原理的環(huán)境溫度測(cè)量方法，由光電檢測(cè)器的輸出信號(hào)
確定傳感光纜上每一點(diǎn)的布里淵頻移4的具體步驟如下
a.在光電檢測(cè)器的輸出端設(shè)置頻率變換器，所述頻率變換器包括低噪聲放大器、混頻器、頻率綜合器和電濾波器，光電檢測(cè)器輸出的電信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器放大后與頻率綜合器輸出的微波信號(hào)在混頻器中進(jìn)行外差混頻，混頻器輸出的差頻信號(hào)經(jīng)電濾波器處理后輸送到信號(hào)提取單元；
b.調(diào)節(jié)頻率綜合器的中心頻率，利用信號(hào)提取單元完成信號(hào)的采集，得到一條布里淵散射信號(hào)強(qiáng)度和時(shí)間的二維曲線；
c.改變頻率綜合器的中心頻率，再與布里淵散射信號(hào)的頻移^進(jìn)行外差混頻，即得到另外一條布里淵散射信號(hào)強(qiáng)度和時(shí)間的二維曲線，重復(fù)調(diào)節(jié)頻率綜合器步長，從而得到一系列對(duì)應(yīng)不同頻率的布里淵散射信號(hào)強(qiáng)度和時(shí)間的二維曲線，最終得到對(duì)應(yīng)整個(gè)信號(hào)譜的關(guān)于信號(hào)強(qiáng)度、頻率、時(shí)間的三維曲線，該三維曲線的時(shí)間軸上的每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)光纖上的一個(gè)占.
d.沿光纖分布的每個(gè)點(diǎn)擬合出洛倫茲曲線，洛倫茲曲線上信號(hào)強(qiáng)度最大值所對(duì)應(yīng)的頻率值即為該點(diǎn)的布里淵頻移。上述基于光纖瑞利與布里淵原理的環(huán)境溫度測(cè)量方法，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的脈沖光在進(jìn)入環(huán)行器之前使用可調(diào)增益光放大器進(jìn)行放大，并由濾波器濾除由光放大器引入的
噪聲信號(hào)。本發(fā)明采用的半導(dǎo)體激光器為普通半導(dǎo)體激光器(Laser diode, LD光源),將半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制、用同一光纖瑞利和布里淵散射外差混頻檢測(cè)的方法進(jìn)行溫度測(cè)量， 同傳統(tǒng)方法使用的IMHz左右的窄線寬激光器相比，它降低了對(duì)光源線寬的要求，采用普通半導(dǎo)體激光器即可，它省去了外調(diào)制單元，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)性能。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。圖I是普通LD光源的光譜結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明光纖傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖3是頻率變換器的結(jié)構(gòu)意圖4本發(fā)明傳感系統(tǒng)測(cè)量得到的信號(hào)強(qiáng)度、頻率、時(shí)間的三維曲線示意圖5是對(duì)光纖某點(diǎn)處多次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行洛倫茲擬合、得到的洛倫茲曲線。文中所用符號(hào)4、布里淵頻移；B0TDR、布里淵光時(shí)域反射；B0TDA、布里淵光時(shí)域
分析；I 參考溫度下的布里淵散射光的頻移-ΛΤ、溫度的變化量；Cir、布里淵頻移溫度
系數(shù)；LD、半導(dǎo)體激光器;八功率'E ( )入射進(jìn)光纖的電場；￡s(t)、多個(gè)譜線的瑞利散射
光的電場多個(gè)譜線的布里淵散射光的電場；斯托克斯光頻率；&、反斯托克斯光頻率;、介質(zhì)折射率，C、真空中的光速、光纖中的聲速必、介質(zhì)的楊氏模量#、 介質(zhì)泊松比'P、介質(zhì)密度。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是基于下述原理提出的
對(duì)于普通LD來說，其輸出光譜是由很多譜線構(gòu)成的，且光源頻譜越寬受激布里淵散射閾值越高，傳感系統(tǒng)允許的入纖功率越大，布里淵信號(hào)越強(qiáng)。這種普通光源可降低瑞利相干噪聲，因此可以獲得較好的系統(tǒng)信噪比。LD輸出光譜如圖I所示，其輸出功率計(jì)算公式由
(I)式給出，其中i為輸出光譜譜線的序號(hào)數(shù)。
M
權(quán)利要求
1.一種基于光纖瑞利與布里淵原理的環(huán)境溫度測(cè)量方法，其特征是，它利用半導(dǎo)體激光器、環(huán)行器、光電檢測(cè)器和傳感光纜組成光纖傳感系統(tǒng)，在測(cè)量溫度時(shí)，將傳感光纜置于被測(cè)環(huán)境中，將半導(dǎo)體激光器發(fā)出的脈沖光經(jīng)環(huán)行器注入傳感光纜，并利用光電檢測(cè)器從環(huán)行器接收來自傳感光纜的背向瑞利散射和布里淵散射信號(hào)，使二者在光電檢測(cè)器中進(jìn)行外差混頻，然后由光電檢測(cè)器的輸出信號(hào)確定傳感光纜上每一點(diǎn)的布里淵頻移，最后利用布里淵頻移與溫度的關(guān)系模型4 = +&AT計(jì)算出光纖上每一點(diǎn)的溫度， 從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，其中，I力參考溫度下的布里淵散射光的頻移；ΔΓ為溫度的變化量； 為布里淵頻移溫度系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于光纖瑞利與布里淵原理的環(huán)境溫度測(cè)量方法，其特征是， 所述半導(dǎo)體激光器的輸出光譜由多個(gè)譜線組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于光纖瑞利與布里淵原理的環(huán)境溫度測(cè)量方法，其特征是，由光電檢測(cè)器的輸出信號(hào)確定傳感光纜上每一點(diǎn)的布里淵頻移I P其具體步驟如下a.在光電檢測(cè)器的輸出端設(shè)置頻率變換器，所述頻率變換器包括低噪聲放大器、混頻器、頻率綜合器和電濾波器，光電檢測(cè)器輸出的電信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器放大后與頻率綜合器輸出的微波信號(hào)在混頻器中進(jìn)行外差混頻，混頻器輸出的差頻信號(hào)經(jīng)電濾波器處理后輸送到信號(hào)提取單元；b.調(diào)節(jié)頻率綜合器的中心頻率，利用信號(hào)提取單元完成信號(hào)的采集，得到一條布里淵散射信號(hào)強(qiáng)度和時(shí)間的二維曲線；c.改變頻率綜合器的中心頻率，再與布里淵散射信號(hào)的頻移^進(jìn)行外差混頻，即得到另外一條布里淵散射信號(hào)強(qiáng)度和時(shí)間的二維曲線，重復(fù)調(diào)節(jié)頻率綜合器步長，從而得到一系列對(duì)應(yīng)不同頻率的布里淵散射信號(hào)強(qiáng)度和時(shí)間的二維曲線，最終得到對(duì)應(yīng)整個(gè)信號(hào)譜的關(guān)于信號(hào)強(qiáng)度、頻率、時(shí)間的三維曲線，該三維曲線的時(shí)間軸上的每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)光纖上的一個(gè)占.d.沿光纖分布的每個(gè)點(diǎn)擬合出洛倫茲曲線，洛倫茲曲線上信號(hào)強(qiáng)度最大值所對(duì)應(yīng)的頻率值即為該點(diǎn)的布里淵頻移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述基于光纖瑞利與布里淵原理的環(huán)境溫度測(cè)量方法，其特征是，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的脈沖光在進(jìn)入環(huán)行器之前還應(yīng)使用可調(diào)增益光放大器進(jìn)行放大，并由濾波器濾除由光放大器引入的噪聲信號(hào)。
全文摘要
一種基于光纖瑞利與布里淵原理的環(huán)境溫度測(cè)量方法，它利用半導(dǎo)體激光器、環(huán)行器、光電檢測(cè)器和傳感光纜組成光纖傳感系統(tǒng)，測(cè)量時(shí)，將半導(dǎo)體激光器發(fā)出的脈沖光經(jīng)環(huán)行器注入傳感光纜，并利用光電檢測(cè)器從環(huán)行器接收來自傳感光纜的背向瑞利散射和布里淵散射信號(hào)，使二者在光電檢測(cè)器中進(jìn)行外差混頻，然后由光電檢測(cè)器的輸出信號(hào)確定傳感光纜上每一點(diǎn)的布里淵頻移，最后利用布里淵頻移與溫度的關(guān)系模型計(jì)算出光纖上每一點(diǎn)的溫度，從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。本發(fā)明同傳統(tǒng)方法相比，降低了對(duì)光源線寬的要求，省去了外調(diào)制單元，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)性能。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102589748SQ201210059949
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者李永倩, 楊志, 趙麗娟 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)(保定)